开关功率变换器在线阻抗测量装置及其设计方法

1.本发明属于电力电子及电磁兼容技术领域，涉及一种开关功率变换器在线阻抗测量装置，本发明还涉及上述装置的设计方法。


背景技术：

2.高速开关器件以其低损耗和高开关速度被广泛应用于开关功率变换器中。然而，高开关频率也导致了开关功率变换器的电磁干扰噪声的增加。滤波器是抑制开关功率变换器电磁干扰最基本的措施，滤波器的滤波效果与开关功率变换器的源阻抗和负载阻抗密切相关。所以，在设计开关功率变换器的滤波器或者选择开关功率变换器的滤波器时，获得开关功率变换器的源阻抗和负载阻抗是前提条件。而开关功率变换器的源阻抗和负载阻抗往往不是一个无源的离线的阻抗，它是一个设备上电后才能呈现出来的在线阻抗。所以，需要设计一种开关功率变换器在线阻抗测量装置，获取开关功率变换器的在线阻抗。
3.现有的开关功率变换器在线阻抗测量装置主要存在以下两方面的问题：
4.1.传统的用矢量网络分析仪测出的在线阻抗，是基于小信号测量的在线阻抗，不适应大功率大信号下的开关功率变换器的在线阻抗测量。
5.2.不能同时测量出开关功率变换器的源阻抗和负载阻抗，分开测量的开关功率变换器的源阻抗和负载阻抗，幅值匹配度不好，相位根本不一致。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种开关功率变换器在线阻抗测量装置，该装置可以通过发射大功率大信号下测试开关功率变换器的在线阻抗，避免了开关功率变换器自身产生emi对测量结果造成的影响，提高了在线阻抗的测试精度。
7.本发明的目的是还提供一种开关功率变换器在线阻抗测量装置的设计方法。
8.本发明所采用的第一种技术方案是，开关功率变换器在线阻抗测量装置，包括在线阻抗测量仪，在线阻抗测量仪分别连接衰减器i、功率放大器、高通滤波器i、衰减器ii、及高通滤波器ii，衰减器i还连接电流探头i，功率放大器还连接隔离变压器，高通滤波器i还连接电压探头i，衰减器ii还连接电流探头ii，高通滤波器ii还连接电压探头ii。
9.本发明第一种技术方案的特点还在于：
10.在线阻抗测量仪包括高频信号发生器，高频信号发生器连接fpga，fpga分别连接a/d转换器i、a/d转换器ii、a/d转换器iii、a/d转换器iv，a/d转换器i与衰减器i连接，a/d转换器ii与高通滤波器i连接，a/d转换器iii与衰减器ii连接，a/d转换器iv与高通滤波器ii连接。
11.本发明采用的第二种技术方案为，开关功率变换器在线阻抗测量装置的设计方法，包括高频信号发生器的设计过程，具体为：高频信号发生器的扫频信号频率范围为0.8
·fl
～1.2
·fh
，其中f
l
为在线阻抗测试最低频率，fh为在线阻抗测试最高频率；
12.高频信号发生器单频点输出射频信号的功率为p
in
，p
in
的范围是-20dbm～10dbm。
13.包括a/d转换器i、a/d转换器ii、a/d转换器iii、a/d转换器iv的设计过程，具体为：
14.采用电压型输出的a/d转换器i、a/d转换器ii、a/d转换器iii、a/d转换器iv，a/d转换器i、a/d转换器ii、a/d转换器iii、a/d转换器iv的性能指标主要为采样频率和位数；
15.采样频率满足以下条件：
16.f
ad
≥10
·fh
；
17.其中，fh为在线阻抗测试最高频率；
18.位数主要由测试信号最小的电压u
min
、最大电压u
max
和采样的分辨率确定，一般设置采样的分辨率为emi限制l的1/1000，选择a/d转换器i、a/d转换器ii、a/d转换器iii、a/d转换器iv的位数n的公式为：
[0019][0020]
其中，u
max
为a/d检测到的最大电压，u
min
为a/d检测到的最小电压，l为emi电压限制。
[0021]
包括隔离变压器的参数设计，具体包括如下过程：
[0022]
设计隔离变频器的变比曲线，变比曲线随频率变换，原则为：在5mhz下误差不超过5％，变比范围在0.95～1.05，在5mhz-30mhz间误差不超过10％，变比范围在0.9～1.1；在30mhz以上误差不超过15％，变比范围在0.85～1.15；
[0023]
根据变压器的输入阻抗为50ω，选择变压器的匝数n，计算公式如下：
[0024][0025]
其中，l为变压器铁芯磁回路的平均长度；f为被测在线阻抗频率范围的中心频率；μ1为铁芯的导磁率；s为变压器铁芯磁回路的截面积。
[0026]
本发明的有益效果是，本发明通过向被测开关功率变换器中注入大功率高频信号，增强了高频信号的注入能力的同时，提高了信噪比，解决了开关功率变换器在线运行时emi噪声信号对测试误差影响较大的问题，使得在线阻抗测量更加精确。本发明设计了四路在线阻抗测量仪，在线阻抗测试过程中，可实现源阻抗和负载阻抗同时测量，使得相位测试一致，幅值匹配度更高。
附图说明
[0027]
图1在线阻抗测量系统原理图；
[0028]
图2是本发明开关功率变换器在线阻抗测量装置的结构示意图；
[0029]
图3是供电电源和被测装置模块在线阻抗测量示意图。
[0030]
图中，1.在线阻抗测量仪，2.高频信号发生器，3.fpga，4.a/d转换器i，5.功率放大器，6.隔离变压器，7.电流探头i，8.高通滤波器i，9.衰减器i，10.电压探头i，11.电流探头ii，12.电压探头ii，13.高通滤波器ii，14.衰减器ii，15.a/d转换器ii，16.a/d转换器iii，17.a/d转换器iv。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0032]
本发明开关功率变换器在线阻抗测量装置，图2为在线阻抗测量装置结构示意图2所示，该装置通过高频信号发生器2(hfsg)发出高频信号经过功率放大器5将高频信号进行功率放大，放大的信号与隔离变压器6连接，避免在线阻抗测量装置与被测设备直接接触，被测设备与隔离变压器6另一侧连接，高频信号通过隔离变压器6注入至开关功率变换器的系统中；电流探头i7钳在靠近供电电源的线缆上检测出高频电流，通过衰减器i9进入在线阻抗测量仪1的ch1端口，ch1端口通过a/d转换器i4将模拟信号转换为数字信号，给fpga3读取运算；将电压探头i10连接在供电电源两侧检测出供电电源两端电压，电压经过高通滤波器i8保留高频信号电压，进入ch2端口，经a/d转换器ii15后送入fpga3进行运算。电流探头ii11钳在靠近开关功率变换器的线缆上检测出高频电流，通过衰减器i9进入在线阻抗测量仪1的ch3端口，ch3端口通过a/d转换器iii16将模拟信号转换为数字信号，给fpga3读取运算；将电压探头ii12连接在开关功率变换器两侧检测出开关功率变换器两端电压，电压经过高通滤波器ii13保留高频信号电压，进入ch4端口，经a/d转换器iv17后送入fpga3进行运算。
[0033]
通过在线阻抗测量仪1可以得到被测设备两端的高频电压和流过的高频电流，对供电电源进行在线阻抗z1计算的公式为：对开关功率变换器进行在线阻抗z2计算的公式为：
[0034]
其中：v
ch2
为电压探头i10在供电电源处检测的高频电压；i
ch1
为电流探头i7在供电电源处检测的高频电流；v
ch4
为电压探头ii12在开关功率变换器处检测的高频电压；i
ch3
为电流探头ii11在开关功率变换器处检测的高频电流；
[0035]
图1为在线阻抗测量系统原理图；将在线阻抗测量系统进行等效后得到在线阻抗测量系统原理图，其中电压探头i10的内阻抗为z
v1
，电压探头ii12的内阻抗为z
v2
，功率放大器5的内阻抗为za，高频信号发生器2的高频电压为vi，内阻抗为zi；v
ch1
为供电电源的电压，z1为供电电源的在线阻抗；v
ch4
为开关功率变换器的电压，z2为开关功率变换器的在线阻抗；
[0036]
图2为在线阻抗测量装置示意图；包括电流探头i7、电流探头ii11、电压探头i10、电压探头ii12、衰减器i9、功率放大器5、高通滤波器i8、高通滤波器ii13、衰减器ii14和在线阻抗测量仪1，在线阻抗测量仪1由高频信号发生器2(hfsg)、a/d转换器i4、a/d转换器ii15、a/d转换器iii16、a/d转换器iv17和fpga3。
[0037]
电流探头i7和电压探头i10为一组，可以测试出一组系统的电流i
ch1
与电压值v
ch2
，经a/d转换器i4将模拟信号转化为数字信号后送入fpga3进行运算，可得到被测系统的在线阻抗；电流探头ii11和电压探头ii12为一组，可以测试出另一组系统的电流i
ch3
与电压值v
ch4
；经a/d转换器ii15将模拟信号转化为数字信号后送入fpga3进行运算，可得到另一被测系统的在线阻抗；
[0038]
fpga3功能为：1.接收电流探头i7、电流探头ii11、电压探头i10和电压探头ii12的四路检测信号；2.各频点阻抗值运算和储存；3.检测阻抗对应的频率与高频信号发生器2的输出信号频率同步；
[0039]
图3为供电电源和被测装置模块在线阻抗测量示意图；示意图的左侧为供电电源，右侧为开关功率变换器，电流探头i7钳在靠近供电电源的线缆上检测出高频电流，通过衰减器i9进入在线阻抗测量仪1的ch1端口，ch1端口通过a/d转换器i4将模拟信号转换为数字信号，给fpga3读取运算；将电压探头i7连接在供电电源两侧检测出供电电源两端电压，电压经过高通滤波器8保留高频信号电压，进入ch2端口，经a/d转换器ii15后送入fpga3进行运算。电流探头ii11钳在靠近开关功率变换器的线缆上检测出高频电流，通过衰减器ii14进入在线阻抗测量仪1的ch3端口，ch3端口通过a/d转换器iii16将模拟信号转换为数字信号，给fpga3读取运算；将电压探头2连接在开关功率变换器两侧检测出开关功率变换器两端电压，电压经过高通滤波器8保留高频信号电压，进入ch4端口，经a/d转换器iv17后送入fpga3进行运算；最终运算后得到开关功率变换器的在线阻抗和供电电源的在线阻抗；
[0040]
本发明开关功率变换器在线阻抗测量装置的设计方法，具体包括如下步骤：
[0041]
步骤1，确定被测量开关功率变换器的频段范围，其中f
l
为在线阻抗测试最低频率，fh为在线阻抗测试最高频率；
[0042]
步骤2，高频信号发生器2的设计；
[0043]
高频信号发生器2的扫频信号频率范围为0.8
·fl
～1.2
·fh
，其中f
l
为在线阻抗测试最低频率，fh为在线阻抗测试最高频率；
[0044]
高频信号发生器2单频点输出射频信号的功率为p
in
，一般范围是-20dbm～10dbm；在阻抗测试频率范围内，输出内阻抗为50ω；扫频信号的频率间隔为d，d的范围为1-20khz；
[0045]
例如根据国标gb/t18655，测试电动汽车逆变器在150khz-108mhz频段的在线阻抗时，高频信号发生器2的扫频信号频率范围在120khz～130mhz；设置单频点输出射频信号的功率等于-20dbm；在阻抗测试频率范围内，输入阻抗为50ω；扫频信号的频率间隔为20khz。
[0046]
步骤3，fpga3选型；
[0047]
fpga3的资源必须足够，fpga3芯片的资源主要包括存储器；存储器资源ram：编程生成的数据保存在ram存储器中，一个数据的大小为32bit，一组阻抗值包括k个数据，一般有频率、幅值和相位3个数据，例如，在150khz—30mhz内有目标频段内有x个阻抗值，需要频率、幅值和相位3个数据，因此需要资源量为：m＝96xbits的存储量；
[0048]
例如根据国标gb/t18655，测试电动汽车逆变器在150khz-108mhz频段的在线阻抗时，扫频信号的间隔为20khz可采用型号为ep4ce40f23i7的fpga3，存储器为1134kbits；
[0049]
步骤4，a/d转换器i4、a/d转换器ii15、a/d转换器iii16、a/d转换器iv17选型；
[0050]
a/d转换器i4、a/d转换器ii15、a/d转换器iii16、a/d转换器iv17均为模拟数字转换器；将电流探头i7、电流探头ii11、电压探头i10和电压探头ii12输出的模拟信号转换为数字信号输出给fpga3；采用电压型输出的a/d转换器i4、a/d转换器ii15、a/d转换器iii16、a/d转换器iv17，a/d转换器i4、a/d转换器ii15、a/d转换器iii16、a/d转换器iv17的性能指标主要为采样率和位数。
[0051]
采样率需要采样频率应满足以下条件：f
ad
≥10
·fh
；其中，fh为在线阻抗测试最高频率，如最大频率为30mhz，则采样频率至少为300mhz。
[0052]
位数主要由测试信号最小的电压u
min
，最大电压u
max
和采样的分辨率确定，一般设置采样的分辨率为国标中规定的emi限制l的1/1000，选择a/d转换器4位数n的公式为：
[0053][0054]
其中，u
max
为a/d检测到的最大电压，u
min
为a/d检测到的最小电压，l为国标中规定的emi电压限制；
[0055]
步骤5，功率放大器5的参数设计；
[0056]
功率放大器5的主要性能指标为放大频率范围、放大倍率和高频阻抗；
[0057]
功率放大器5的放大频率范围为；0.8
·fl
～1.2
·fh
，其中f
l
为在线阻抗测试最低频率，fh为在线阻抗测试最高频率；如在线阻抗测试频率为150k-30mhz，功率放大器5的放大频率范围为120k-36mhz；
[0058]
放大倍率a由下式确定，高频信号发生器2发出的各频点功率p
in
大于国标中的限制emi功率p
emi
的20db；
[0059]
a＞20db+p
emi-p
in
[0060]
其中：p
emi
为国标的emi功率限值，单位为dbmw；p
in
为高频信号发生器2各频点的功率，单位为dbmw；
[0061]
为了进行高频阻抗匹配，防止信号反射烧毁设备，选择输入阻抗在0.8
·fl
～1.2
·fh
的频率范围内为恒定的50ω，其中f
l
为在线阻抗测试最低频率，fh为在线阻抗测试最高频率；
[0062]
以国标gb/t18655为例，在测试电动汽车逆变器的在线阻抗时，需要保证功率放大器5在150khz-108mhz的频率范围内有恒定的放大倍率；通过对emi信号的功率测量后，在50mhz时p
emi
为-5dbm，根据公式可以计算放大倍率为35db；最终可以选择厂家为ar的5u1000型号的运算放大器；
[0063]
步骤6：隔离变压器6的参数设计；
[0064]
设计隔离变压器的变比曲线，变比曲线随频率变换，原则为：在5mhz下误差不超过5％，变比范围在0.95～1.05，在5mhz-30mhz间误差不超过10％，变比范围在0.9～1.1；在30mhz以上误差不超过15％，变比范围在0.85～1.15；
[0065]
根据变压器的输入阻抗为50ω，选择变压器的匝数n，计算公式如下：
[0066][0067]
其中，l为变压器铁芯磁回路的平均长度，一般取值为25cm；f为被测在线阻抗频率范围的中心频率；μ1为铁芯的导磁率；s为变压器铁芯磁回路的截面积，一般取值为4cm2；
[0068]
功率放大器5侧绕组线缆的直径的选择根据：
[0069][0070]
其中，l1为功率放大器5侧绕组线缆的长度；f为被测在线阻抗频率范围的中心频率；μ为线缆的磁导率，铜的磁导率为μ＝4π
×
10-7
(h/m)；σ为线缆的电导率，铜的电导率为σ＝5.8
×
107(s/m)；p1为功率放大器5的输出功率；i1为功率放大器5输出的最大电流；
[0071]
开关功率变换器侧绕组线缆的直径的选择根据：
[0072][0073]
其中：l2为开关功率变换器侧绕组线缆的长度；f2为开关功率变换器开关器件的开关频率；μ为线缆的磁导率；铜的磁导率为μ＝4π
×
10-7
(h/m)；σ为线缆的电导率，铜的电导率为σ＝5.8
×
107(s/m)；p2为开关功率变换器的输出功率；i2为开关功率变换器侧绕组流过的最大电流；
[0074]
步骤7，确定电流探头i7、电流探头ii11型号；
[0075]
根据被测功率变换器在线阻抗的频率范围，电流探头i7、电流探头ii11的测试频率范围为0.8
·fl
～1.2
·fh
，f
l
为在线阻抗测试最低频率，fh为在线阻抗测试最高频率；电流探头i7、电流探头ii11的功率等级大于功率放大器5放大后的高频信号功率；
[0076]
以国标gb/t 18655为例，在测试电动汽车逆变器的在线阻抗时，需要保证电流探头i7、电流探头ii11在150khz-108mhz的频率范围内检测；可以选择厂家为罗德施瓦茨的r&s ez-17型号的电流探头i7和电流探头ii11。
[0077]
步骤8，设计高通滤波器8；
[0078]
根据在线阻抗测量的频率范围选择高通滤波器8的截止频率，高通滤波器8的拓扑结构可以选择为rc型滤波器，截止频率等于在线阻抗测量时最小频率f
l
的0.5倍；因此电阻电容的计算公式为：
[0079][0080]
根据经验可以先确定电容c，一般数量级为nf级，再选择确定电阻r
[0081]
以国标gb/t18655为例，在测试电动汽车逆变器的在线阻抗时，需要保证高通滤波器8的截止频率为75khz；；因此电容选择10nf，电阻选择为210ω；
[0082]
步骤9，确定衰减器i9、衰减器ii14的型号；
[0083]
测试可得到电流探头i7、电流探头ii11在在线阻抗测试频段的功率p
out
；a/d转换器i4、a/d转换器ii15、a/d转换器iii16、a/d转换器iv17的接收能力为p
ad
，则衰减器i9、衰减器ii14的衰减倍率e满足e＞p
ad-p
out
；
[0084]
衰减器i9、衰减器ii14在f
l
～fh的在线阻抗测试频段内保持恒定的衰减倍率e；衰减器i9、衰减器ii14的输入阻抗在f
l
～fh的在线阻抗测试频段内保持恒定的50ω；
[0085]
以国标gb/t18655为例，在测试电动汽车逆变器的在线阻抗时，需要保证衰减器i9、衰减器ii14在150khz-108mhz的频率范围内的衰减能力恒为10db；输入阻抗恒为50ω；因此可以选择厂家cybertek的em5010a型号；
[0086]
步骤10，确定电压探头i10、电压探头ii12的型号；
[0087]
电压探头i10、电压探头ii12的测试精度需大于a/d转换器i4、a/d转换器ii15、a/d转换器iii16、a/d转换器iv17的分辨率，最大的测试频率为1.2
·fh
；电压探头i10、电压探头ii12的最大测试电压根据开关功率变换器的最大工作电压的2倍进行选取。